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表8-3

序號(hào)應(yīng)力每天出現(xiàn)次數(shù)對(duì)應(yīng)的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)Ni對(duì)應(yīng)載荷的總作用次數(shù)ni對(duì)應(yīng)應(yīng)力水平下的損傷率

123651.0×1041.9×1030.19000

219894.15×1043.42×1030.08241

3135289.3×1551.06×1040.01140

4101559.9×1062.09×1040.00211

58089>1073.38×104不造成疲勞損傷

2.對(duì)于未進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算的機(jī)器設(shè)備，疲勞壽命理論可以用來(lái)估算這些設(shè)備的剩余物理壽命，其基本步驟如下：

(1)確定危險(xiǎn)斷面。有限壽命計(jì)算需要先知道應(yīng)力值。計(jì)算時(shí)，首先分析承受載荷的情況，確定危險(xiǎn)截面及其所承受應(yīng)力的變化規(guī)律，并對(duì)這個(gè)截面進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。如危險(xiǎn)截面無(wú)法完全確定，則應(yīng)對(duì)幾個(gè)可能截面進(jìn)行計(jì)算分析。

(2)確定應(yīng)力。計(jì)算每一個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

(3)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。統(tǒng)計(jì)每一個(gè)載荷所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

(4)確定各系數(shù)?？紤]實(shí)際零件的形狀、尺寸及表面狀態(tài)，確定應(yīng)力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)ε、表面系數(shù)β及不對(duì)稱(chēng)循環(huán)系數(shù)Ψ。

(5)計(jì)算修正后的應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)ε和表面系數(shù)β計(jì)算修正后零件的疲勞極限。

(6)計(jì)算疲勞損傷或疲勞壽命。查與σi對(duì)應(yīng)的Ni，并計(jì)算疲勞損傷或疲勞壽命。

第四節(jié)　損傷零件壽命估算

常規(guī)疲勞壽命計(jì)算都是在假定材料沒(méi)有任何缺陷的條件下進(jìn)行的。但是，在評(píng)估中所遇到的設(shè)備，特別是在役設(shè)備通常帶有某些缺陷，如使用中形成的裂紋或制造中形成的裂紋、夾渣等。這些缺陷的存在，并不意味著設(shè)備已喪失其使用價(jià)值。一般來(lái)說(shuō)，它還有一定的安全使用壽命。

故在評(píng)估一些造價(jià)很高的大型結(jié)構(gòu)件及大型壓力容器等設(shè)備的價(jià)值時(shí)，要求評(píng)估人員能科學(xué)地估算其剩余自然壽命。

估算存在缺陷設(shè)備的剩余自然壽命，一般以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，采用斷裂韌性試驗(yàn)和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)手段進(jìn)行。

一、基本理論

斷裂力學(xué)理論認(rèn)為：零件的缺陷在循環(huán)載荷的作用下會(huì)逐步擴(kuò)大，當(dāng)缺陷擴(kuò)大到臨界尺寸后將發(fā)生斷裂破壞。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為疲勞斷裂過(guò)程。

疲勞斷裂過(guò)程大致可分為四個(gè)階段，即：

1.成核(10-3mm～10-4mm，第一階段);

2.微觀裂紋擴(kuò)展(10-2mm ～ 10-1mm，第二階段);

3.宏觀裂紋擴(kuò)展(1mm ～臨界裂紋尺寸，第三階段)

4.斷裂(第四階段)。

其中，第一階段為裂紋萌生階段，第二、第三階段為裂紋的亞臨界擴(kuò)展階段。

在考慮了材料性能參量對(duì)裂紋擴(kuò)展速度的影響后，帕利斯提出了以下裂紋擴(kuò)展速度的半經(jīng)驗(yàn)公式：

△K——應(yīng)力強(qiáng)度因子，代表應(yīng)力場(chǎng)對(duì)裂紋擴(kuò)展速度的影響，它是衡量裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)的力學(xué)參數(shù)。

A、n——材料常數(shù)

a——裂紋尺寸，

N——載荷循環(huán)次數(shù)。

二、損傷零件疲勞壽命估算

由帕利斯公式得到：

a0——初始裂紋尺寸

ac——臨界裂紋尺寸

例8-8：某機(jī)器軸上存在表面裂紋，初始裂紋尺寸 a0 = 3mm，與裂紋平面垂直的應(yīng)力σ= 300 Mpa， 在裂紋擴(kuò)展速度的半經(jīng)驗(yàn)公式中

A= 10-15

n=4

若臨界裂紋尺寸ac=9.38 mm，并且每天出現(xiàn) 20 次應(yīng)力循環(huán)，試計(jì)算該軸的剩余壽命。

解：

14946/20=747.3天=2.05年

在上述的例題中，如果將應(yīng)力降低為200Mpa ，可以計(jì)算得出N = 75664 次，相當(dāng)于3783天。 即壽命提高為原來(lái)的 5 倍多。這表明，應(yīng)力降低，循環(huán)次數(shù)即壽命增加。

三、影響裂紋擴(kuò)展的其他因素

應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔK是影響裂紋擴(kuò)展的主要參數(shù)。除此之外，還有很多因素對(duì)裂紋的疲勞擴(kuò)展有影響，如應(yīng)力循環(huán)特征、加載頻率、溫度、環(huán)境介質(zhì)等。

1.應(yīng)力循環(huán)特征的影響。應(yīng)力循環(huán)特征r，即一次循環(huán)中最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比，也對(duì)裂紋擴(kuò)展速度影響較大。

2.加載頻率的影響。一般在ΔK值較低時(shí)，加載頻率對(duì)裂紋的疲勞擴(kuò)展速度影響很小。但當(dāng)ΔK值較高時(shí)，加載頻率影響增大。裂紋擴(kuò)展速度與加載頻率成反比關(guān)系，加載頻率降低，裂紋擴(kuò)展速度增大。

3.溫度的影響。對(duì)深埋裂紋，當(dāng)溫度低于蠕變溫度時(shí)，溫度對(duì)裂紋擴(kuò)展速度無(wú)明顯影響;但對(duì)表面裂紋，高溫對(duì)裂紋擴(kuò)展速度影響較大，溫度越高裂紋擴(kuò)展速度越快。

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（責(zé)任編輯：中大編輯）

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